Estudio de las variables operativas sobre la reformación de metano con dióxido de carbono sobre catalizadores de níquel y calcio soportados en carbón activado

Abstract

En Venezuela existen grandes reservas de gas natural que, estimadas para el año 2004, alcanzan 151000 billones de pies cúbicos situándolo como el noveno país con más reservas en el mundo y el primero en Latinoamérica, con un alto potencial para la producción y transformación de dicho gas. El gas natural está constituido principalmente por metano, el cual puede transformarse en otro(s) compuesto(s) de mayor valor agregado; como por ejemplo el gas de síntesis (syngas), que es una mezcla de hidrógeno y monóxido de carbono en distintas proporciones. El syngas es la materia prima de muchos productos de interés, como el metanol que es un buen candidato para ser utilizado como fuente de hidrógeno en celdas de combustibles de automóviles; o el dimetil éter que puede ser utilizado como combustible limpio. Para transformar el gas natural (metano) en gas de síntesis existen tres procesos conocidos: transformación de metano con vapor de agua, oxidación parcial del metano y transformación de metano con dióxido de carbono. Este último proceso es de gran interés ambiental, debido a que se transforman dos gases (CH4 y CO2) que son los principales causantes del efecto invernadero, que trae como principal consecuencia el calentamiento global de la tierra. Por lo expuesto anteriormente, el objetivo de este trabajo fue estudiar la influencia de algunas variables de proceso (temperatura de reacción y de pre-tratamiento, naturaleza del gas pre-tratante y velocidad espacial) sobre el rendimiento de la reformación de metano en presencia de dióxido de carbono empleando el catalizador Ni(5%)-Ca(1%)/ACM, en el cual se impregnó primero el níquel y luego el calcio, en la proporciones en peso indicadas dentro del paréntesis. Inicialmente se varió la temperatura de pre-tratamiento y de reacción, en un intervalo de 550ºC hasta 800ºC, con un intervalo de 50ºC, para cada uno de los gases pre-tratantes (helio e hidrógeno), y de allí se tomaron los mejores sistemas para realizarles un estudio de la velocidad espacial a través de la masa del catalizador. De este último estudio, surgieron las condiciones óptimas de reacción, en las cuales se estudió el efecto del promotor y del soporte, sobre la actividad catalítica. Las pruebas se llevaron a cabo en un reactor de cuarzo de lecho fijo, manteniendo constantes la velocidad de calentamiento (10ºC/min), la presión de operación de cada gas (14.5psi), el flujo de gas pre-tratante (50ml/min) y, los flujos de metano (80ml/min) y dióxido de carbono (80ml/min). Cabe destacar que antes de realizar las pruebas catalíticas, las muestras fueron pre-tratadas in situ durante una hora. La cinética de la reacción fue seguida por una hora y media, mediante un cromatógrafo con detector de ionización a la llama (FID), y la actividad catalítica fue expresada en términos de la conversión de metano como una función del tiempo de reacción. Cuando se varió la temperatura de reacción y el tipo de pre-tratamiento se obtuvieron, en la mayoría de los casos, perfiles catalíticos oscilantes debidos principalmente al mecanismo que rige la reacción en estudio. Luego de analizados estos resultados, se tomaron como mejores sistemas, los catalizadores pre-tratados con helio e hidrógeno a la temperatura de 750ºC, y el que se pre-trató con helio a 650ºC. Los dos primeros se eligieron debido a su perfil cinético creciente, mientras que el de 650ºC se escogió por su gran estabilidad. A estos tres catalizadores se les realizó el estudio de la velocidad espacial, y se observó que a 750ºC se desactivaban muy rápidamente como consecuencia de la deposición de coque, mientras que el estudiado a 650ºC presentaba una gran estabilidad para todas las masas estudiadas. Es por esto que se eligió como mejor sistema el pre-tratado con helio a una temperatura de 650ºC y una masa de catalizador de 150mg. Por último, se estudió el efecto del promotor y del soporte. En el primer caso se obtuvo que el calcio inhibe en gran medida la deposición de coque, mientras que en el segundo caso se observó que los catalizadores soportados en carbón activado son mucho más activos que los soportados en alúmina. En conclusión, el sistema Ni-Ca/AC presenta una gran estabilidad y actividad para la reformación de metano con dióxido de carbono, bajo pre-tratamiento con helio y a una temperatura de reacción moderada, lo cual es un resultado muy importante puesto que abre nuevas posibilidades de estudio en este tipo de sistema catalítico.